本發(fā)明涉及一種一邊抑制反射光一邊進(jìn)行激光加工的激光加工裝置和激光加工方法。

背景技術(shù)：

在激光加工中，根據(jù)要切割的材料或厚度等來選擇加工條件后進(jìn)行激光加工。在激光加工時產(chǎn)生了大的反射光的情況下，停止激光加工并產(chǎn)生警告。作為避免這樣的反射光的技術(shù)，例如以下的專利文獻(xiàn)是公知的。

在日本特開2014-117730號公報(bào)中記載有如下發(fā)明：在激光加工前，作為預(yù)加工，一邊變更焦點(diǎn)位置一邊以穿孔條件來照射激光，存儲反射光低的位置，并且在該位置進(jìn)行穿孔加工(鉆孔加工)。

在日本專利第4174267號公報(bào)中記載有如下發(fā)明：在鉆孔加工或切割加工之前，以脈沖的方式照射激光，在反射光的測定值超過了規(guī)定值的情況下，縮短激光的脈沖寬度。

在國際公開第2013/014994號中記載有如下發(fā)明：對工件進(jìn)行激光照射，根據(jù)其反射光來判定所設(shè)定的加工條件是否與工件一致。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

當(dāng)利用激光進(jìn)行鉆孔、切割、標(biāo)記、焊接等激光加工時，有時由于

(1)對不知道加工條件的材料進(jìn)行加工的情況、

(2)錯誤地輸入了要選擇的加工條件的情況、

(3)即使是相同的材料但由于表面的狀態(tài)、傾斜等而反射率大為不同的情況

等而導(dǎo)致發(fā)生加工問題、或產(chǎn)生大的反射光。當(dāng)非常大的反射光向激光振蕩器返回時，會瞬間破壞激光振蕩器。另外，當(dāng)大的反射光反復(fù)返回到振蕩器時會成為故障的原因。因此，存在由于產(chǎn)生反射光而導(dǎo)致激光加工停止、難以進(jìn)行穩(wěn)定的生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)這樣的問題。

因此，尋求一種抑制來自工件的反射光來不對激光振蕩器造成損傷地進(jìn)行穩(wěn)定的激光加工的技術(shù)。

本發(fā)明的第1方式提供一種激光加工方法，是激光加工裝置中執(zhí)行的激光加工方法，該激光加工裝置從加工頭向工件照射激光并一邊抑制所照射的激光的反射光一邊進(jìn)行激光加工，該激光加工方法包括以下步驟：在對工件進(jìn)行激光加工之前，以從比激光加工的加工條件中包含的激光功率低的激光功率起階段性地提高激光功率的方式從激光振蕩器照射激光并利用反射光傳感器測定來自工件的反射光；基于反射光的測定值和規(guī)定值來決定用于抑制反射光的輸出條件；以及以所決定的輸出條件向工件照射激光固定時間，來在進(jìn)行激光加工之前抑制反射光。

本發(fā)明的第2方式提供一種激光加工方法，在第1方式中，以從低的激光功率起階段性地提高激光功率的方式從激光振蕩器射出激光并利用反射光傳感器測定反射光的步驟包括射出具有激光輸出的關(guān)閉(off)時間的脈沖激光。

本發(fā)明的第3方式提供一種激光加工方法，在第1方式或第2方式中，還包括以下步驟：在抑制反射光的步驟之后，以激光加工的加工條件進(jìn)行輸出指示并測定反射光，在反射光的測定值超過了規(guī)定值的情況下，再次返回到以從低的激光功率起階段性地提高激光功率的方式從激光振蕩器射出激光并利用反射光傳感器測定反射光的步驟。

本發(fā)明的第4方式提供一種激光加工方法，在第1方式或第2方式中，還包括以下步驟：在抑制反射光的步驟之后，以激光加工的加工條件進(jìn)行輸出指示并測定反射光；以及在反射光的測定值超過了規(guī)定值的情況下，使激光的焦點(diǎn)位置移動，再次返回到以從低的激光功率起階段性地提高激光功率的方式從激光振蕩器射出激光并利用反射光傳感器測定反射光的步驟。

本發(fā)明的第5方式提供一種激光加工方法，在第2方式中，以從低的激光功率起階段性地提高激光功率的方式從激光振蕩器射出激光并利用反射光傳感器測定反射光的步驟中的激光的脈沖寬度比檢測反射光的測定值是否超過了規(guī)定值的檢測周期長。

本發(fā)明的第6方式提供一種激光加工方法，在第1方式～第5方式中的任一方式中，利用配置于加工頭的反射光測定部來測定反射光。

本發(fā)明的第7方式提供一種激光加工方法，在第1方式～第5方式中的任一方式中，激光振蕩器是光纖激光振蕩器，反射光傳感器設(shè)置于光纖激光振蕩器，反射光傳感器測定向光纖的芯部返回的反射光。

本發(fā)明的第8方式提供一種激光加工方法，在第1方式～第5方式中的任一方式中，激光振蕩器是光纖激光振蕩器，反射光傳感器設(shè)置于光纖激光振蕩器，反射光傳感器測定向光纖的包層部返回的反射光。

本發(fā)明的第9方式提供一種激光加工方法，在第1方式～第5方式中的任一方式中，激光振蕩器是光纖激光振蕩器，反射光傳感器設(shè)置于光纖激光振蕩器，反射光傳感器測定向光纖的芯部和包層部返回的反射光。

本發(fā)明的第10方式提供一種激光加工裝置，向工件照射激光并一邊抑制所照射的激光的反射光一邊進(jìn)行激光加工，該激光加工裝置具有：固體激光振蕩器；激光用電源，其使得能夠進(jìn)行脈沖激光振蕩；輸出控制部，其對激光用電源進(jìn)行輸出指示；反射光測定部，其測定來自工件的反射光；存儲部，其存儲反射光的一個以上的規(guī)定值；控制部，其進(jìn)行如下指示：以從比激光加工的加工條件中包含的激光功率低的激光功率起階段性地提高激光功率的方式射出脈沖激光；比較部，其將反射光的測定值與規(guī)定值進(jìn)行比較；運(yùn)算部，其基于反射光的測定值與規(guī)定值的比較結(jié)果來運(yùn)算用于抑制反射光的輸出條件。

本發(fā)明的第11方式提供一種激光加工裝置，在第10方式中，還具有：機(jī)構(gòu)部，其具有能夠使激光的焦點(diǎn)位置變更的驅(qū)動軸；以及機(jī)構(gòu)控制部，其對機(jī)構(gòu)部進(jìn)行控制，其中，在以用于抑制反射光的輸出條件射出激光之后，在反射光的測定值超過了規(guī)定值的情況下，機(jī)構(gòu)控制部對機(jī)構(gòu)部進(jìn)行控制以變更激光的焦點(diǎn)位置。

本發(fā)明的第12方式提供一種激光加工裝置，在第11方式中，激光用電源以200μ秒以下的速度啟動，輸出控制部進(jìn)行200μ秒以下的脈沖指示來作為激光的輸出指示。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的激光加工裝置的概要圖。

圖2是第一實(shí)施方式中的激光加工裝置的框圖。

圖3是表示第一實(shí)施方式中的激光加工方法的流程圖。

圖4是表示第一實(shí)施方式中的所指示的激光功率與反射光的測定值之間的對應(yīng)關(guān)系的曲線圖。

圖5是第一實(shí)施方式中的在抑制反射光步驟中發(fā)生變化的工件的截面圖。

圖6是本發(fā)明的第二實(shí)施方式中的激光加工裝置的框圖。

圖7是表示第二實(shí)施方式中的激光加工方法的流程圖。

圖8是本發(fā)明的第三實(shí)施方式中的激光加工裝置的框圖。

圖9是表示第三實(shí)施方式中的激光加工方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面，參照附圖來詳細(xì)地說明本發(fā)明的實(shí)施方式。在各附圖中，對同樣的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)注了同樣的標(biāo)記。此外，下面所記載的內(nèi)容并不限定權(quán)利要求書中記載的發(fā)明的技術(shù)范圍及用語的意義。

(第一實(shí)施方式)

參照圖1和圖2來說明本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)。圖1是表示第一實(shí)施方式中的激光加工裝置的概要圖，圖2是第一實(shí)施方式中的激光加工裝置的框圖。激光加工裝置10對工件11進(jìn)行鉆孔、切割、標(biāo)記、焊接等加工。激光加工裝置10具有：加工頭12，其對工件11射出激光l；臺13，其用于配置工件11；機(jī)構(gòu)控制部14，其對加工頭12和臺13的驅(qū)動軸等機(jī)構(gòu)部的驅(qū)動進(jìn)行控制；激光振蕩器16，其經(jīng)由光纖15而與加工頭12連接；以及數(shù)值控制裝置17，其對機(jī)構(gòu)控制部14和激光振蕩器16進(jìn)行控制。

加工頭12相對于被配置在臺13上的工件11沿x、y、z軸方向移動。另外，加工頭12使聚光透鏡20沿b軸方向移動以移動激光l的焦點(diǎn)位置。如圖2所示，加工頭12具有用于沿z軸方向移動的驅(qū)動軸19以及用于使聚光透鏡20沿b軸方向移動的驅(qū)動軸21。雖未進(jìn)行圖示，但是臺13具有用于沿x、y軸方向移動的驅(qū)動軸。

機(jī)構(gòu)控制部14具有：使驅(qū)動軸19、21旋轉(zhuǎn)的伺服電動機(jī)22、23；進(jìn)行伺服電動機(jī)22、23的旋轉(zhuǎn)控制的伺服放大器24、25；以及進(jìn)行伺服電動機(jī)22、23的位置控制的位置控制部26、27。

激光振蕩器16經(jīng)由具有100μm的徑的光纖15而與加工頭12連接。激光振蕩器16是最大輸出為4kw的光纖激光振蕩器，具有光纖激光諧振器30。利用激光用電源31使得光纖激光諧振器30能夠進(jìn)行脈沖振蕩。輸出控制部32根據(jù)包括激光功率、頻率、占空比等的加工條件對激光用電源31進(jìn)行輸出指示。激光用電源31基于輸出控制部32的200μ秒以下的脈沖指示來以200μ秒以下的速度啟動。由此，激光輸出的響應(yīng)性良好，因此易于使激光的輸出指示與反射光的測定值相對應(yīng)。

雖然未圖示，光纖激光諧振器30由多個激光諧振器構(gòu)成，輸出側(cè)的多個光纖由合束器(beamcombiner)結(jié)合，由此生成大功率的激光l。激光l被彎光鏡(bendermirror)18反射而向工件11照射。在將多個光纖結(jié)合的合束器上連接有對來自工件11的反射光r進(jìn)行測定的反射光傳感器33。

反射光傳感器33包括熱電傳感器、光電傳感器等，測定返回到光纖15的芯部和包層部中的至少一方的反射光r。通過測定返回到芯部和包層部的2種反射光，能夠設(shè)定用于更高精度地抑制反射光的輸出條件。反射光傳感器33的測定值28被放大部34放大并經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換后被存儲到存儲部29。并且，在光纖激光諧振器30上連接有對從激光諧振器的后鏡以0.5％的透過率輸出的監(jiān)視用激光m進(jìn)行測定的功率傳感器35。功率傳感器35包括熱電傳感器、光電傳感器等，功率傳感器35的輸出被放大部36放大并經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換后被輸出到圖1所示的數(shù)值控制裝置17。

數(shù)值控制裝置17具有cpu等控制部37和ram或rom等存儲部38。控制部37讀取存儲于存儲部38的加工程序39并執(zhí)行該加工程序39，基于各種指示來控制整個激光加工裝置10。加工程序39將基于工件11的材料、厚度等的包括激光功率、頻率、占空比等的加工條件40輸入并存儲到存儲部38。存儲部38存儲來自工件11的反射光的規(guī)定值41。

接著，參照圖3～圖5來說明第一實(shí)施方式的激光加工裝置中執(zhí)行的激光加工方法。圖3是表示第一實(shí)施方式中的激光加工方法的流程圖，圖4是表示第一實(shí)施方式中的激光功率與反射光的測定值之間的關(guān)系的曲線圖，圖5是第一實(shí)施方式中的在抑制反射光步驟中發(fā)生變化的工件的截面圖。

如圖3所示，在步驟s100中，開始探頭加工。在此，如圖4所示，在對工件進(jìn)行激光加工之前，以從比激光加工的加工條件低的功率起階段性地提高激光功率的方式射出激光。在反射光的測定值超過了規(guī)定值的情況下，在步驟s101中，決定用于抑制反射光的輸出條件。在此，將反射光的測定值不超過規(guī)定值(例如1260w)的最大功率、即在超過規(guī)定值的激光功率之前一個激光功率決定為輸出條件。

接著，在步驟s102中，開始探頭加工。即，在步驟s103中，以所決定的輸出條件射出激光500m秒。在此期間，如圖5所示，逐漸對工件11的加工點(diǎn)p造成損傷。由此，返回到光纖的反射光逐漸降低。在步驟s104中，當(dāng)反射光的測定值下降為50％以下、或者經(jīng)過了500毫秒時，在步驟s105中，以所輸入的加工條件(例如激光功率：2kw、頻率：500hz、占空比：30％)來開始激光加工。

在此期間，在反射光的測定值超過了規(guī)定值(例如1260w)的情況下(步驟s106)，返回到步驟s100，再次以從比激光加工的加工條件低的激光功率起階段性地提高激光功率的方式射出激光。由此，即使在第一次步驟中沒能抑制反射光的情況下，也能夠抑制反射光。在反射光的測定值不超過規(guī)定值的情況下，激光加工完成。

在步驟s100～步驟s101的探頭加工中，也可以是以連續(xù)照射的方式階段性地提高激光功率，但是優(yōu)選的是如圖4所示的那樣射出具有激光輸出的關(guān)閉時間的脈沖激光。由于脈沖激光包含激光輸出的關(guān)閉時間，因此能夠容易地使所指示的激光功率與反射光的測定值相對應(yīng)。另外，脈沖激光的脈沖寬度設(shè)為比檢測反射光r的測定值是否超過了規(guī)定值的檢測周期長。由此，能夠可靠地檢測超過規(guī)定值的反射光。

在抑制了反射光之后進(jìn)行激光加工，因此即使在所輸入的加工條件對于工件的材質(zhì)、狀態(tài)、傾斜、激光的焦點(diǎn)位置等不是最優(yōu)的情況下，也能夠不對激光振蕩器造成損傷地執(zhí)行穩(wěn)定的激光加工。

(第二實(shí)施方式)

接著，參照圖6來說明本發(fā)明的第二實(shí)施方式中的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)。圖6是第二實(shí)施方式中的激光加工裝置的框圖。激光加工裝置50具有最大輸出為4kw的光纖激光振蕩器53。雖未進(jìn)行圖示，但是光纖激光振蕩器53具備由具有100μm的徑的光纖和具有200μm的徑的光纖構(gòu)成的光纖激光諧振器51，兩光纖由光纖耦合器連接，從而射出具有300μm的聚焦光束徑的激光。由于在光纖激光振蕩器53中未設(shè)置反射光傳感器、或者為了在更接近加工點(diǎn)的部位檢測反射光，在第二實(shí)施方式中，利用配置于加工頭12的反射光測定部52來獲取反射光r的測定值28。

反射光測定部52包括對工件11照射監(jiān)視用參照光并接收來自工件11的監(jiān)視用反射光r的光反射器等。由反射光測定部52測定出的測定值28被放大部34放大并經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換后被存儲到存儲部29。其它結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施方式相同。

接著，參照圖7來說明在第二實(shí)施方式的激光加工裝置中執(zhí)行的激光加工方法。圖7是表示第二實(shí)施方式中的激光加工方法的流程圖。在圖7中，步驟s200～步驟204與第一實(shí)施方式的步驟s100～步驟s104相同，因此省略說明。

在步驟s205中，以所決定的輸出條件加上+1000w而得到的激光功率(在該功率超過激光振蕩器的最大值的情況下，以激光振蕩器的最大值)射出激光。此時，在步驟s206中，存儲緊接開始之后的反射光的測定值(m1)。該m1如后面敘述的那樣用作反射光的其它規(guī)定值。另外，在此期間，在反射光的測定值超過了規(guī)定值(例如1260w)的情況下(步驟s207)，返回到步驟s200，再次以從比激光加工的加工條件低的功率起階段性地使功率上升的方式射出激光。通過重復(fù)進(jìn)行這些過程，能夠在反射光少的狀態(tài)下執(zhí)行激光加工。

在反射光的測定值從m1下降了30％以上的情況下(步驟s208)，在步驟s209中，以所決定的輸出條件加上+2000w而得到的激光功率(在該功率超過激光振蕩器的最大值的情況下，以激光振蕩器的最大值)射出激光。此時，在步驟s210中，存儲緊接開始之后的反射光的測定值(m2)。該m2如后面敘述的那樣用作反射光的其它規(guī)定值。另外，在此期間，在反射光的測定值超過了規(guī)定值(例如1260w)的情況下(步驟s207)，返回到步驟s200，再次以從比激光加工的加工條件低的功率起階段性地使功率上升的方式射出激光。通過重復(fù)進(jìn)行這些過程，能夠在反射光少的狀態(tài)下執(zhí)行激光加工。在反射光的測定值從m2下降了80％以上的情況下(步驟s211)，激光加工完成。

(第三實(shí)施方式)

接著，參照圖8來說明本發(fā)明的第三實(shí)施方式中的激光加工裝置的結(jié)構(gòu)。圖8是第三實(shí)施方式中的激光加工裝置的框圖。激光加工裝置60具有最大輸出為6kw的光纖激光振蕩器65。雖未進(jìn)行圖示，但是光纖激光振蕩器65具備由具有100μm的徑的光纖和具有1000μm的徑的光纖構(gòu)成的光纖激光諧振器61，兩光纖由光纖耦合器連接，射出具有1000μm這樣大的聚焦光束徑的激光。具有1000μm的光束徑的激光難以返回到具有100μm的徑的光纖，因此在第三實(shí)施方式中，也利用配置于加工頭12的反射光測定部52來測定反射光r。

由反射光測定部52測定出的反射光r的測定值被輸入到比較部62。比較部62包括將反射光r的測定值輸入到非反相輸入并將反射光的規(guī)定值輸入到反相輸入的比較器等模擬電路。在反射光r的測定值不超過規(guī)定值的情況下，將負(fù)電壓輸入到運(yùn)算部63，在反射光r的測定值超過了規(guī)定值的情況下，將正電壓輸入到運(yùn)算部63。運(yùn)算部63包括fpga、dsp等集成電路，在被輸入了正電壓的情況下，運(yùn)算用于抑制反射光的輸出條件。運(yùn)算部63將所決定的輸出條件輸出到輸出控制部64。輸出控制部64根據(jù)所決定的輸出條件來對激光用電源31進(jìn)行輸出指示。其它結(jié)構(gòu)與第二實(shí)施方式相同，因此省略說明。

利用專用的電氣電路、集成電路等硬件來執(zhí)行反射光的測定值與規(guī)定值的比較處理、以及用于抑制反射光的輸出條件的運(yùn)算處理，由此能夠容易地得到與激光的脈沖寬度對應(yīng)的反射光的檢測周期，因此能夠可靠地檢測超過規(guī)定值的反射光。

在其它實(shí)施方式中，也可以使用在反射光的測定值超過了規(guī)定值的情況下使開關(guān)工作的熱控開關(guān)(thermalswitch)等，來替代比較部62和運(yùn)算部63。當(dāng)熱控開關(guān)接通輸出控制部64的開關(guān)時，輸出控制部64使激光以不超過規(guī)定值的最大功率射出。

接著，參照圖9來說明在第三實(shí)施方式的激光加工裝置中執(zhí)行的激光加工方法。圖9是表示第三實(shí)施方式中的激光加工方法的流程圖。在圖9中，步驟s300～步驟311與第二實(shí)施方式的步驟s200～步驟s211相同，因此省略說明。

在第三實(shí)施方式中，聚焦光束徑有1000μm這樣大，因此當(dāng)對作為高反射材料的鋁等的工件11進(jìn)行鉆孔加工等時，激光的能量密度低。因此，無法使工件11熔融，而持續(xù)返回大的反射光，鉆孔加工沒有進(jìn)展。因此，在步驟s305中，在反射光的測定值超過了規(guī)定值(例如1260w)的情況下(步驟s307)，在步驟s312中，對加工頭12內(nèi)的b軸進(jìn)行驅(qū)動，來使激光的焦點(diǎn)位置向上方移動2mm。通過使激光的焦點(diǎn)位置移動，在工件表面反射的激光難以返回到激光振蕩器。因此，在步驟s300和s302中能夠向工件照射更大的激光功率，即使在第一次步驟中沒能抑制反射光的情況下，也能夠抑制反射光。因而，對難以吸收激光的高反射材料也能夠執(zhí)行激光加工。

在其它實(shí)施方式中，也可以是，在步驟s305和步驟s309中，在反射光的測定值超過了其它規(guī)定值(例如更高的1300w)的情況下，不返回到步驟s300，而是停止激光加工，并且利用監(jiān)視器或聲音來通知已停止加工。根據(jù)該過程，即使在不知道工件的材質(zhì)、厚度等的情況下，也在步驟s300中決定用于抑制反射光的最優(yōu)的輸出條件，在步驟s303中對工件形成小的穴以降低反射光，并且在步驟s305和步驟s309中以大的激光功率射出激光，因此能夠以最短時間完成激光加工。

在此，說明本發(fā)明的作用效果。根據(jù)本發(fā)明，即使在所設(shè)定的加工條件對于工件的材質(zhì)、狀態(tài)、傾斜、激光的焦點(diǎn)位置等不是最優(yōu)的情況下，也能夠抑制反射光，從而能夠不對激光振蕩器造成損傷地進(jìn)行穩(wěn)定的激光加工，生產(chǎn)率提高。

此外，也可以將前述的實(shí)施方式中的程序記錄在計(jì)算機(jī)可讀取的非易失性的記錄介質(zhì)、例如cd-rom來進(jìn)行提供。

在本說明書中說明了各種實(shí)施方式，但是希望能夠認(rèn)識到，本發(fā)明并不限定于前述的各種實(shí)施方式，能夠在權(quán)利要求書所記載的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變更。